Урок 5 Получить доступ за 75 баллов Валентность. Степень окисления. Количество вещества
Валентность
Атомы соединяются в молекулы в определенных соотношениях.
Приведем пример широко распространённых соединений водорода.
Это связано с количеством электронов на внешнем электронном уровне атома (подробнее про электронные уровни в одном из следующих уроков).
Эти электроны часто называют валентными электронами.
Это значение легко узнать из периодической системы химических элементов: число валентных электронов равно номеру группы, в которой находится химический элемент.
Элементы третьего периода системы химических элементов
Номер группы и число валентных электронов обозначены цифрой в центре клетки.
Суть химического взаимодействия между двумя атомами состоит в том, чтобы в итоге внешний электронный уровень атома оказался полностью завершенным.
Такое положение похоже на состояние атомов VIII группы – инертных газов (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон).
Атомы этих элементов «самодостаточны», т.е. «не желают» вступать в химические реакции.
Поэтому их ещё называют благородными.
Чтобы получить полностью завершенную внешнюю электронную оболочку, атомы объединяются в таких соотношениях, что получают друг от друга необходимое количество электронов.
Недостающие электроны, которые атом как бы «получает» или «отдаёт», в составе молекулы для обоих атомов являются общими.
То количество электронов, которое атом получает или отдаёт в процессе химической реакции, а следовательно, количество других атомов, которые способен присоединить наш атом, и называется валентностью этого атома.
У некоторых элементов валентность постоянная, но у большинства есть по несколько значений валентности.
Один и тот же элемент в разных соединениях проявляет разную валентность.
Элементов, валентность которых всегда постоянна, немного, и их нужно просто запомнить.
Химический элемент |
Валентность |
Литий, натрий, калий, рубидий, цезий (все щелочные металлы); Водород, фтор, серебро |
1 |
Бериллий, магний, кальций, стронций, барий (все щелочно-земельные металлы); Кислород, цинк |
2 |
Бор, алюминий, галлий |
3 |
Углерод, кремний, германий |
4 |
Атомы проявляют валентность только в химических соединениях!
Степень окисления
Валентность показывает, сколько электронов «отдал» или «приобрел» атом, но не показывает, отдал атом эти электроны или приобрёл.
Разные элементы обладают разной степенью активности, и в зависимости от этого при реакциях электроны, хотя и являются общими для двух атомов, являются как бы «сдвинутыми» в сторону какого-то одного из них.
Ядро атома заряжено положительно, электроны - отрицательно. В целом атом нейтрален, поэтому такое смещение нарушает эту нейтральность.
Степень окисления – это условный заряд атома в составе молекулы, если предположить, что принятый электрон полностью принадлежит атому, а отданный полностью не принадлежит.
Рассмотрим степени окисления атомов азотной кислоты HNO3
Известно, что в химических формулах количество атомов в 1 единицу не пишут, но для наглядности мы это сделаем. Получилось H1N1O3
Азотная кислота в природе существует в виде устойчивого соединения, это значит, что сумма всех степеней окисления составляющих ее атомов равна нулю.
Азотная кислота состоит из 1 атома водорода, 1 атома азота и 3-х атомов кислорода.
Водород имеет степень окисления +1
Кислород имеет степень окисления -2
Посмотрим на алгоритм определения степени окисления:
Вам придется часто определять степени окисления веществ в составе молекул.
Это просто. Главное надо знать степени окисления атомов, там, где вариантов немного или всего один.
Зная, что сумма всех произведений степеней окисления в одной молекуле равна нулю, мы сможем очень легко определить неизвестную степень окисления.
Рассмотрим алгоритм определения степени окисления азота в молекуле азотистой кислоты.
Часто степень окисления и валентность совпадают. Но это происходит не всегда. Наиболее ярко это различие проявляется в простых веществах, образованных некоторыми газами, но также проявляется и в других соединениях.
Химический элемент |
Вещество |
Валентность |
Степень окисления |
Водород |
H2 (водород) |
1 |
0 |
Кислород |
O2 (кислород) |
1 |
0 |
Кислород |
H2O2 (перекись водорода) |
2 |
–1 |
Азот |
N2 (азот) |
3 |
0 |
Азот |
HNO3 (азотная кислота) |
4 |
+5 |
Главное отличие степени окисления от валентности: валентность не имеет знака, а степень окисления имеет знак.
Положительное число говорит об отдаче электрона (т.к. заряд электрона отрицательный), отрицательное – наоборот.
Высшая положительная степень окисления элемента равна номеру группы периодической системы.
Химический элемент |
Номер группы в периодической системе |
Высшая положительная степень окисления |
Натрий |
I |
+1 |
Магний |
II |
+2 |
Алюминий |
III |
+3 |
Кремний |
IV |
+4 |
Фосфор |
V |
+5 |
Сера |
VI |
+6 |
Хлор |
VII |
+7 |
Большинство элементов имеют переменную степень окисления.
Например, марганец имеет степень окисления в разных его соединениях +2, +3, +4, +6, +7
В природе элементы встречаются в таких соединениях, где проявляют самую устойчивую степень окисления.
Химический элемент |
Наиболее распространенное в природе вещество и степень окисления элемента в нём |
Другие вещества и степени окисления элемента в них |
Кислород |
Кварц (оксид кремния) SiO2 –2 |
Фторид кислорода OF2 +2 |
Сера |
Пирит (сульфид железа) FeS2 –2 |
Сернистый газ SO2 +4
Серная кислота H2SO4 +6 |
Хлор |
Cоль (хлорид натрия) NaCl –1 |
Хлорная кислота HClO4 +7 |
Золото |
Золото самородное Au 0 |
Золотохлористоводородная кислота HAuCl4 +3 |
Количество вещества
До этого речь шла об отдельных атомах и молекулах.
Но химики не работают с индивидуальными молекулами.
Например, формула поваренной соли NaCl. Содержание атомов натрия и хлора в этом веществе относятся как 1:1.
Значит ли это, что для получения соли нужно взять равные массы натрия и хлора?
Нет, потому что у этих атомов разные массы, а значит, в одном килограмме натрия и в одном килограмме хлора будет содержаться разное количество молекул.
Поэтому химики измеряют количество вещества в таких единицах, которые обозначают не массу, а количество молекул (или атомов – в тех случаях, когда речь идет о простых веществах, молекулы которых одноатомны).
Такое количество вещества химики назвали «моль» (от слова «молекула»).
Для простоты обозначений химики постановили, что моль – это количество вещества, содержащее такое число молекул, которое совпадает с числом атомов в 12 г углерода.
1 моль любого вещества имеет такую массу, которая численно равна молекулярной массе данного вещества, выраженной в атомных единицах массы. Например, относительная атомная масса меди равна 64, значит, 1 моль меди имеет массу 64 грамма. Масса вещества, взятого в количестве 1 моль, называется молярной массой и выражается единицами г/моль. Молярная масса меди равна 64 г/моль.
Из этого следует важный вывод: 1 моль любого вещества содержит одно и то же число молекул, хотя и имеет для разных веществ разную массу.
Число частиц в 1 моле вещества называется постоянной Авогадро, которая равняется NA=6,022 140 76 · 10 23 моль-1
Обычно при решении задач используют укороченное значение постоянной Авогадро NA=6 · 10 23 моль-1
Обратите внимание на размерность постоянной моль-1
В математическом виде это обозначается так:
Таким образом, независимо от того, сколько весит вещество, 1 его моль будет содержать всегда одинаковое количество атомов, равное 6,022 · 10 23 единиц.
Необходимо учитывать, что некоторые авторы используют выражение число Авогадро (именно "число", а не "постоянная"), при этом размерность в виде моль-1 не употребляют, а просто используют число 6,022 · 10 23
Никакого противоречия здесь нет, все наоборот, очень логично! Ведь постоянная Авогадро - это соотношение числа Авогадро к одной моли.
Зная количество вещества, можно судить о числе частиц в определенной его порции и брать вещества для реакций в необходимых количествах.
На картинках ниже вы увидите, какой объем занимает одинаковое количество разных веществ, равных одной моли.
В бесплатной версии урока недоступны:
- Видео
- Изображения
- Дополнительная информация
- Таблицы
- Тесты